اجرای زیرساخت های پخش ویدیویی مبتنی بر تراشه FPGA

اجرای زیرساخت های پخش ویدیویی مبتنی بر تراشه FPGA با صمیم

در این مقاله قصد داریم تا اجرای زیرساخت های پخش ویدیویی مبتنی بر تراشه FPGA را بررسی کنیم. گسترش محتوای ویدیویی تلویزیونی با وضوح بالا (HDTV) و روش ارائه آنها در بستر کانال های تلویزیونی با پهنای باند محدود برای پخش، سبب ارائه استانداردهای جدید فشرده سازی ویدئوها و برنامه های مرتبط با پردازش تصویر ویدئویی شده است. در روش سنتی، تنها اپراتورهای کابلی و ماهواره ای ارسال ویدئو را انجام می دادند اما در حال حاضر شرکت های مخابراتی با استفاده از جدیدترین روش های رمزگذاری/رمزگشایی ویدیو؛ که اصطلاحا به آن CODEC نیز گفته می‌شود؛ و همچنین فناوری پردازش تصاویر ویدئویی وارد این عرصه شده اند تا ویدئوهای دیجیتالی را از طریق تلویزیون مبتنی پروتکل اینترنت (IPTV) به مخاطب منتقل کنند.

روند پردازش محتوایی ویدئویی و تصویری مبتنی بر تراشه FPGA

بسیاری از نوآوری های جدید و هیجان انگیز، مانند HDTV و سینمای دیجیتال، حول پردازش ویدئو و تصویر می چرخد و تکامل این فناوری بسیار سریع است. جهش رو به جلو در وضوح تصویربرداری و نمایش تصویر، تکنیک های فشرده سازی پیشرفته و هوش مصنوعی به عنوان نیروهای محرکه این نوآوری شناخته شده اند. لذا رزولوشن در تجهیزات صنعت برودکست در چند سال اخیر به طور قابل ملاحظه ای افزایش یافته است. برای مثال رزولوشن در HDTV 1920 x 1080 pixels و در سینمای دیجیتال فعلی pixels 1714 * 4096 می باشد.

تکنیک های فشرده سازی پیشرفته، جایگزین فناوری نسل گذشته شده و سبب پیشرفت هایی چون قابلیت پخش بهتر، فشرده سازی بیشتر برای کیفیت معین و تأخیر کمتر شده است. JPEG2000 نیز در بحث ذخیره سازی محتوا و سینمای دیجیتال شتاب گرفته و با استفاده از این راهکارهای فشرده سازی جدید محتوا، کمیته های استاندارد به ارتقاء استانداردهای H.264 و JPEG2000 ادامه می دهند. در 10 سال گذشته ، صنعت برودکست تلویزیونی دیجیتال، با استاندارد MPEG-2 برای SDTV به خوبی ارائه شده است.

…..  برنامه نویسی FPGA با گروه متخصصین صمیم ، شرکتی معتبر در این زمینه  …..

H.264-AVC  (MPEG4-Part 10) و نسخه مایکروسافت VC1، سرانجام جایگزین MPEG-2 به عنوان روش کدگذاری ویدئو برای SDTV و HDTV می شود. تولیدکنندگان تجهیزات برودکست باید استانداردهای رمزگذاری مختلفی را برای برآوردن نیازهای فعلی و آینده ارائه دهند. علاوه بر استانداردهای مختلف CODEC ویدئویی، انواع مختلفی از الگوریتم های پیش و پس پردازش ویدیو نیز برای افزایش کیفیت کلی تصاویر برای مخاطب وجود دارد. با افزایش وضوح تصویر و تکامل فرایندهای فشرده سازی، نیاز به عملکرد بالا و در عین حال انعطاف پذیری معماری تجهیزات به جهت امکان ارتقا سریع بیش از پیش احساس می شود. علاوه بر این، همزمان با بلوغ و تکامل فناوری و افزایش حجم محتوا و مخاطب، تمایل به کاهش هزینه ها نیز وجود خواهد داشت. لذا با ارائه راهکارهایی برای پاسخ به این نیازها، دستگاه های منطقی قابل برنامه ریزی (PLD) نقش مهمی در ظهور زیرساخت های پخش ویدیویی دیجیتالی ایفا می کنند.

ایجاد محتوای ویدئویی مبتنی بر تراشه FPGA

اولین مرحله از زنجیره پخش ویدئو، دوربین فیلمبرداری دیجیتال حرفه ای است که محتویات ویدئویی و صوتی را ضبط می کند که می تواند SD یا HD باشد. این دوربین دیجیتال به طور معمول دارای خروجی رابط داده سریال (SDI) تعریف شده از SMPTE خواهد بود. SDI  یک جریان ویدئویی فشرده نشده با سرعت 270 مگابیت بر ثانیه (SD)، یا 1.485 گیگابیت بر ثانیه (HD) یا 2.97 گیگابیت بر ثانیه (HD 1080p) است. تراشه FPGA با واحدهای (SERDES)  و (CDR)، جریان ویدئو را بر روی خروجی SDI دوربین پردازش می کنند.

فرایندهای پیش و پس از پردازش ویدئو

استاندارد NTSC در صنعت برودکست، که در آمریکای شمالی استفاده می شود، دارای پهنای باند ثابت 6 مگاهرتز در هر کانال است. لازم به ذکر است که استاندارد  8MHz-PAL  در اروپا و سایر نقاط جهان استفاده می شود. پهنای باند ثابت 6 مگاهرتز در NTSC مدتها قبل از شکل گیری تلویزیون دیجیتال تعیین شده است و این محدودیت پهنای باند آنالوگ مشخصات انتقال محتوا در تلویزیون دیجیتال فعلی (DTV) را تعیین می نماید. کیفیت ویدیوی دیجیتالی نسبت به فیلم آنالوگ کلاسیک بیشتر بوده و هرچه رزولوشن دیجیتال بیشتر باشد، پهنای باند بیشتری برای انتقال داده های ویدئویی لازم است.

ارائه ویدئوی با کیفیت خوب تقریباً همیشه مستلزم پیش پردازش ویدیوی اصلی است. محدود کردن پهنای باند موجود در حوزه دیجیتال با فشرده سازی های مختلف محتواهای ویدئویی هنگام نمایش جریان داده رمزگشایی شده، به روش های مختلف نمایان می شود. فشار زیاد به کمپرسور ویدئو باعث ایجاد نویز بلوک یا ارتیفکت می شود. لذا فرایندهای پیش و پس از پردازش ویدیو، امکان فشرده سازی ویدیو را برای واحد رمزگذار تسهیل نموده و همچنین باعث می شود کیفیت تصویر بهبود یابد و سبب کاهش الزامات مورد نیاز جهت پهنای باند می گردد.

این قابلیت برای مدلهای تجاری کابلی، ماهواره ای، مخابراتی و IPTV از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است که در آن الزامات تولید محتوای با کیفیت بالا باید در پهنای باند محدود به دست آیند. پیش پردازش ممکن است شامل اعمال فیلتر دو بعدی برای تعدیل محتوای با فرکانس بالا قبل از ورود به واحد رمزگذاری جهت کاهش میزان نویز و عملکرد صحیح سیستم باشد. برای این رمزگذاری و اعمال فیلتر، از تراشه FPGA استفاده می شود.

فشرده سازی محتوای ویدئویی

مرحله بعدی، فشرده سازی داده های ویدئویی خام پیش پردازش شده قبل از ارسال به مخاطب است. نسل های مختلفی از استانداردهای فشرده سازی از MPEG1 تا MPEG4 وجود دارد که شامل چهار روش برای فشرده سازی است: DCT ، VQ، FC، DWT.  که هریک دارای کاربرد مخصوصی می باشند.

توزیع محتوای ویدئویی

ویدئوی فشرده شده را می توان با استفاده از استاندارد ASI برای انتقال در زیرساخت های موجود در مرکز پخش استودیویی در فواصل ارتباطی کوتاه استفاده نمود. از طرفی صنعت برودکست از پروتکل انتقال ویدئو مبتنی بر شبکه IP برای توزیع داده های ویدئویی در مسافت های طولانی بهره می جوید.

مقیاس بندی ویدئو و De-Interlacing

تجهیزات تولیدی در استودیو معمولاً می توانند مقیاس بندی و حذف صدا را برای برنامه هایی مانند تبدیل SD به HD یا بالعکس انجام دهند. سایر کاربردها شامل فیلترهایی برای پردازش تشخیص لبه، فیلتر حرکت عمودی و فیلتر حرکتی درون میدانی است. یکی از الزامات رایج برای بسیاری از استودیوهای حرفه ای، توانایی استفاده از دستگاه های تک یا چند صفحه ای برای نشان دادن انواع سیگنال های معمولی SDTV یا HDTV است. لذا توانایی کنترل آسان جابجایی بین این منابع مختلف از طریق کنترل از راه دور در ایجاد یک سیستم حرفه ای و آسان برای استفاده ضروری است. بنابراین مقیاس بندی و De-Interlacing برای سوئیچر/روتر ویدئویی ضروری است و می تواند انواع مختلف وضوح ویدئو را برای سوئیچینگ ویدئو، روتینگ و نمایشگر های محلی مدیریت نماید.

تبدیل فضای رنگی و فرمت های ویدئویی

از آنجا که فرمت های ویدئویی زیادی وجود دارد که صنایع برودکست باید از آنها پشتیبانی کنند، بسته به جایی که مخاطبان در آن قرار دارند، استودیوی پخش باید بتواند فضاهای رنگی مختلف و فرمت های ویدئویی متفاوت را به یکدیگر تبدیل کند. رنگ با استفاده از حوزه های مختلف فضای رنگی تعریف شده و بر اساس نیاز سیستم که متناسب با کاربردهای مختلف است، متفاوت خواهد بود. اطلاعات رنگ توسط دو سیگنال رنگی جداگانه، Cb و Cr، که تابعی از سیگنال سوم، Y یا سیگنال روشنایی یا درخشندگی هستند، تعیین می شود. فضای رنگ RGB نیز با سه جزء قرمز، سبز و آبی مشخص می شود. هنگام انتقال داده ها بین دستگاه هایی که از مدل های مختلف فضای رنگی استفاده می کنند، تبدیل فضای رنگی گاها ضروری است.

برای مثال، برای انتقال تصویر تلویزیون به مانیتور کامپیوتر، ممکن است لازم باشد تصویر را از فضای رنگی YCbCr به فضای رنگی RGB تبدیل نمود و برعکس، انتقال تصویر از صفحه نمایش رایانه به تلویزیون ممکن است نیاز به تبدیل از فضای رنگی RGB به فضای رنگی YCbCr داشته باشد.

زیرساخت کلی یک سیستم برودکست

کل زیرساخت یک سیستم برودکست دیجیتال با ایجاد محتوای ویدئویی از استودیوی تلویزیونی یا استودیوی تولید فیلم متحرک سرچشمه می گیرد. رابط فرآیند ایجاد از SDI برای انتقال فیلم خام به یک دستگاه ذخیره سازی یا به نوعی ویرایشگر غیر خطی (NLE) برای ویرایش ویدئو و بهبود ویژگی های آن استفاده می کند. فیلم نهایی ویرایش شده با استفاده از MPEG-2 ، JPEG2000 یا H.264 در حین فرایند کدگذاری قبل از توزیع به مخاطب از طریق کابل، ماهواره، زمینی یا IPTV فشرده می شود. این فرایند در شکل زیر به تصویر کشیده شده است.

معماری های سیستم پردازش تصویر و ویدئو مبتنی بر تراشه FPGA

انتخاب معماری سیستم شامل سلول های استاندارد ASIC ، ASSP و راهکارهای برنامه پذیر مانند پردازش سیگنال دیجیتال (DSP) یا پردازنده های محتوا و تراشه FPGA است. هر یک از روش ها دارای مزایا و معایبی هستند که انتخاب آن ها وابسته به نیازهای تجهیزات و در دسترس بودن آنها می باشد. یک معماری ایده آل دارای ویژگی های زیر از جمله عملکرد بالا، انعطاف پذیری، قابلیت ارتقاء آسان، هزینه توسعه کم همزمان با رشد تکنولوژی و افزایش حجم محتوا و مخاطب است.

عملکرد بالا

این مورد نه تنها در مورد فشرده سازی بلکه در فرایندهای قبل و بعد از پردازش نیز کاربرد دارد. در واقع، در بسیاری از موارد این توابع، عملکرد بیشتری نسبت به خود الگوریتم فشرده سازی دارند. نمونه هایی از این توابع شامل مقیاس بندی، de-interlacing، فیلترینگ و تبدیل فضای رنگ است. نیاز صنعت برودکست برای دستیابی به عملکرد بالا تنها با استفاده از یک قطعه امکان پذیر نیست. برای مثال یک واحد DSP حتی با بهترین مشخصه  به تنهایی نمی تواند الزامات مورد نیاز برای رمز گذاری و رمزگشایی را برآورده سازد. لذا بهترین گزینه بهره جویی از تراشه FPGA و حتی گاها ترکیب آن با یک واحد DSP جانبی است.

انعطاف پذیری

هنگامی که فناوری به سرعت در حال پیشرفت است، معماری زیرساخت ها باید انعطاف پذیر بوده و به راحتی قابل ارتقا باشند. سلول استاندارد ASIC و ASSP هیچکدام نمی توانند در چنین شرایطی مورد استفاده قرار گیرند. برای مثال استفاده از ASSP که معمولاً برای بازارهای با حجم بالا طراحی می شوند، اغلب به سرعت منسوخ شده و باعث ایجاد ریسک بالایی برای برای اکثر برنامه های کاربردی می گردند.

 هزینه توسعه اندک

گاها توسعه یک زیرساخت ممکن است بسیار هزینه بر بوده لذا ممکن است از عهده برخی فعالان این صنعت خارج باشد. همچنین با ثبیت استانداردها و افزایش حجم مخاطبان و محتوا، لازم است مسیر ارتقا تجهیزات دربردارنده هزینه های معقول و پایینی باشد.

نتیجه گیری

PLD ها به طور فزاینده ای نقش مهمی در ایجاد زیرساخت های دیجیتال صنعت برودکست خواهند داشت. اهمیت پیشنهاد PLD ها به تولیدکنندگان تجهیزات و زیرساخت های صنعت برودکست، فراهم نمودن امکان انعطاف پذیری و ارتقاء تجهیزات به صاحبان این صنایع است تا بتوانند با رقابت های موجود و پیشرفت های تکنولوژی روز افزون این صنعت همگام باشند.

شرکت مهندسی صمیم نیز با استفاده از تیم برنامه نویسی سخت افزار خود که از متخصصین و دانش آموختگان برجسته ترین دانشگاه های کشور می باشند، در طراحی سخت افزار های پردازشی از تراشه FPGA ها استفاده می کند.

…..  برای کسب اطلاعات بیشتر با مشاوران ما در شرکت مهندسی صمیم در ارتباط باشید …..